工学斜拉桥施工

工学斜拉桥施工

第一讲 斜拉桥施工 南浦大桥 （ 1991 ） 该桥全长 8346 米，主桥长 846 米，主桥采用双塔双索面钢与混凝土结合梁斜拉桥，主跨跨径 423 米 杨浦大桥 (1993) 主桥为双塔空间双索面钢 — 混凝土结合梁斜拉桥结构，塔墩固结，上部结构为纵向悬浮体系，主桥全长 1178 米，过渡孔 45+ 边孔（ 99+144 ） + 主孔 602+ 边孔（ 144+99 ） +45 学习目标 了解斜拉桥的结构特点和构造要求 了解斜拉桥的施工方法 熟悉斜拉桥的施工要点 能力目标 能够描述斜拉桥的组成与特点、施工方法 能够参与甚至组织斜拉桥的施工 学习任务要求 分组讨论学习 ——25 分钟 学习成果汇报 ——20 分钟 课件学习 学习总结 学习任务 名词解释：斜拉桥 斜拉桥的结构特点与构造要求 索塔的制作 主梁施工 斜拉索的安装 索力调整的方法 主题 : 斜拉桥的施工 .1. 概 述 .2. 索塔施工 .3. 主梁施工 .4. 斜拉索施工 .5. 斜拉桥施工控制 一、什么是斜拉桥 斜拉桥又称斜张桥，是将主梁用许多拉索直接拉在桥塔上的一种桥梁，是由承压的塔，受拉的索和承弯的梁体组合起来的一种结构体系。其可看作是拉索代替支墩的多跨弹性支承连续梁。其可使梁体内弯矩减小，降低建筑高度，减轻了结构重量，节省了材料。斜拉桥由索塔、主梁、斜拉索组成。 1. 概述 二、斜拉桥的历史 　斜拉桥作为一种拉索体系，比梁式桥的跨越能力更大，是大跨度桥梁的最主要桥型。斜拉桥是由许多直接连接到塔上的钢缆吊起桥面，斜拉桥由索塔、主梁、斜拉索组成。斜拉索布置有单索面、平行双索面、斜索面等。 第一座现代斜拉桥始建于 1955 年的瑞典，跨径为 182 米。目前世界上建成的最大跨径的斜拉桥为中国的苏通大桥，主跨径为 1088 米 , 于 2008 年 4 月 2 日试通车。 三、我国的斜拉桥 斜拉桥是我国大跨径桥梁最流行的桥型之一。目前为止建成或正在施工的斜拉桥共有 3O 余座，仅次于德国、日本，而居世界第三位。而大跨径混凝土斜拉桥的数量已居世界第一。 　　 50 年代中期，瑞典建成第一座现代斜拉桥， 40 多年来，斜拉桥的发展，具有强劲势头。我国 70 年代中期开始修建混凝土斜拉桥，改革开放后，我国修建斜拉桥的势头一直呈上升趋势。 　　我国一直以发展混凝土斜拉桥为主，近几年我国开始修建钢与混凝土的混合式斜拉桥，如汕头礐石大桥，主跨 518m ；武汉长江第三大桥，主跨 618m 。钢箱斜拉桥如南京长江第二大桥南汊桥，主跨 628m ；前几年上海建成的南浦（主跨 423m ）和杨浦（主跨 6O2m ）大桥为钢与混凝土的结合梁斜拉桥。 四、斜拉桥的优缺点 斜拉桥的优点是： 梁体尺寸较小，桥梁的跨越能力较大； 受桥下净空和桥面标高的限制少； 抗风稳定性比悬索桥好； 不需悬索桥那样的集中锚碇构造； 便于悬臂施工。 不足之处是： 它是多次超静定结构，设计计算复杂； 索与梁或塔的连接构造比较复杂； 施工中高空作业较多，且施工控制等技术要求严格。 五、世界最新斜拉桥排名 排名 名称 主跨 / 米 国家 1 苏通大桥 1088 中国 2 昂船洲大桥 1018 中国 3 多多罗大桥 890 日本 4 诺曼底大桥 856 法国 5 长江大桥 730 中国 6 闵浦大桥 708 中国 7 南京长江三桥 648 中国 8 南京长江二桥 628 中国 9 金塘大桥 620 中国 10 白沙长江大桥 618 中国 六、著名斜拉桥欣赏 苏通长江大桥 1088 米，中国全长３２ . ４公里的大桥，是世界第一大桥。苏通大桥由跨江大桥工程和南、北岸接线工程三部分组成。全线采用双向六车道高速公路标准。大桥总投资约６４．５亿元。 苏通大桥是世界第一跨度斜拉桥，将成为中国由桥梁大国向桥梁强国转变的第一个标志性建筑。 多多罗桥 890 米，日本， 1999 年     该桥该桥位于日本的本州岛和四国岛的联络线上，主跨 890m 。日本是一个多台风、多地震的国家。因此多多罗大桥在抗风、抗震设计上要求很高 . 多多罗大桥的总投资约 11 亿美元。 诺曼底大桥 856 米，法国， 1995 年     诺曼底大桥守卫着法国北部塞纳河上的泥滩，看上去像一个从混凝土桥塔上伸出的钢索所编成的巨大蜘蛛网。    这座斜拉桥的落成后（ 1995 年）堪称世界上同类桥梁中极为壮观的一座。 杨浦大桥 602 米，中国， 1993     杨浦大桥是继南浦大桥之后又一座跨越黄浦江的自行设计、建造的双塔双索面迭合梁斜拉桥。桥全长 7658 米，主桥为双塔双索面钢筋混凝土和钢叠合梁斜拉桥结构。 大桥每天可解决 5 万辆车次过江，对上海的浦东开发和推动上海城市建设具有重要意义。主桥及引桥照明采用柱式灯具双排布置，主塔上设置航空障碍灯，钢梁上置航道灯，既为夜间桥上下车辆、船只行驶安全，又美化大桥。 七、斜拉桥的发展前景 斜拉桥发展趋势： 跨径会超过 1000m ； 结构类型多样化、轻型化； 加强斜拉索防腐保护的研究； 注意索力调整、施工观测 控制及斜拉桥动力问题的研究。 结构体系 漂浮体系、支撑体系、塔梁固结体系、刚构体系 施工特点 斜拉桥的施工包括 基础、墩塔、梁、索 等四部分。 基础施工 与其他类型桥梁相似 桥塔的施工 方法和桥墩施工方法没有很大差别 主梁施工 方法和梁式桥施工方法一样 只有 索的施工 有特殊性。 1. 钢桥塔的施工 施工方法 — 浮式吊机施工、塔式吊机施工、爬升式吊机施工 爬升式吊机施工法的施工顺序 2. 索塔的施工 2. 混凝土桥塔的施工 施工方法 — 滑模法、爬模法、翻转模板法、 提升支架法 、普通支架法、预制吊装 塔吊的布置形式： （ 1 ） . 支架现浇 该施工工艺成熟，无需专用设备，能适应较复杂的断面形式。但是费工、费料、速度慢。 对于跨径更大的桥梁，塔柱可分为几段施工，下部适合支架现浇，上部采用预制安装。 （ 2 ） . 预制吊装 需较强的起重能力和专用起重设备，但塔高不高时，可以加快施工速度，减少高空作业难度和劳动强度。 国外多采用预制吊装施工，我国大多数采用支架现浇。 （ 3 ） . 滑模施工 适用于高塔的施工，施工速度快。 鄂黄长江大桥 鹅公岩大桥 主梁的施工方法多样，预制拼装、现浇、悬臂拼装和浇注、顶推法、平面转体施工均可采用。 1. 在支架上施工（拼装或现浇） 该方法适用于河流无通航要求或便于设置临时墩，此时在脚手架上完成现浇和拼装。 主梁和塔柱安装完毕后，利用设在支架上的千斤顶将梁顶起，然后安装斜拉索，安装就位的斜拉索借助于放松千斤顶使主梁下降而拉紧，此时斜拉索的安装不需大型的张拉千斤顶。 3. 主梁的施工 2. 顶推法施工 当桥下不允许多搭设支架时，可以考虑顶推法施工。顶推施工需在跨内设置临时支承墩，顶推前在桥台后方拼装主梁（塔架），利用顶推设备将梁体向跨中顶推，此时斜拉索只承受部分拉力。当顶推就位后，张拉斜拉索，拆除临时支承墩。 3. 转体施工 将主塔和主梁沿岸边制造，在安装和调整后，将整个桥塔 — 缆索 — 梁体以塔轴为中心转体就位。 转体过程中为防止梁体产生过大的负弯矩，可在悬臂端增设临时索，待就位后拆除。 4. 悬臂拼装 将主梁在预制场预制，由于主梁预制龄期较长，收缩徐变变形小，断面尺寸和质量易于控制。 施工工序：现浇塔柱部位的梁段 安装悬拼吊机 悬臂拼装 张拉斜索（水平分力） 吊机前移逐段拼装。 5. 悬臂浇注（最适宜方法） 一般采用牵索式挂篮。 利用施工节段前端最外侧两根斜拉索，将挂篮前端大部分施工荷载传至桥塔，变悬臂负弯矩受力为简支正弯矩受力。 • 支架法 • 悬臂法 自由悬臂法架设斜拉桥 长江二桥南汉主桥 基本工序 ： 设置锚固部件、架设斜拉索、张拉斜拉索、 防护 • 架设斜拉索 斜拉索的基本类型 4. 斜拉索的施工 索体制作 。 1 、索的组成与防护 斜拉索由两端锚具、中间拉索传力件和防护材料组成，称为拉索组装件。 拉索种类：钢丝绳、粗钢筋、高强钢丝、钢绞线等。 目前斜拉索普遍采用平行钢绞线，采用群锚体系锚固。 拉索技术涉及三个问题： （ 1 ）如何使拉索与组装件在使用期内经受高幅度的应力变化，即锚具具有优良的抗疲劳性能；（ 2 ）如何保证拉索组装件绝对可靠，永久性保护；（ 3 ）在保证组装件可靠、耐久的前提下，力争施工方便，造价低。 索的防护 （ 1 ）单根钢绞线外包 PE 护套，然后挂线、张拉、成索后外包环氧织物；（ 2 ） PE 管压注水泥浆。 2 、塔与索的联结 索与塔、梁连结构件的功能是将斜拉索拉力可靠地传递给桥塔和主梁。其构造形式与斜拉索的布置、根数、桥塔与主梁的结构有关。 锚固方式：（ 1 ）两端直接锚固在塔和主梁上；（ 2 ）通过塔顶的索鞍延伸到桥塔两侧主梁上进行锚固；（ 3 ）混合使用，下部直接锚固，上部索鞍。 优 点 缺点 塔上设置索鞍 索塔主要承受压力，结构受力简单 索鞍构造简单，造价贵；由于拉索容许弯曲半径限制，索塔顶部桥轴方向宽度增大，呈辐射形，内索倾角太大，设计困难。 拉索锚固于塔上 构造简单，不需索鞍与索座；架设容易，便于保养、检查与换索；适用于拉索小、索数多情况。 由于索塔两侧拉力不相等，使索塔和桥墩的设计按照弯矩控制。 • 张拉斜拉索 斜拉桥的施工 .4. 斜拉索的施工 3 、索的安装 索的安装分两步：引架作业和张拉作业。 索的引架方法： 1. 在工作索道上引架。先在斜拉索的位置下安装一条工作索道，斜拉索沿着工作索道引架就位。 2. 由临时索及滑轮吊索引架。在待引架的斜拉索之上先安装一根临时钢索（导向索），利用绞车沿着滑动装置牵引就位。 3. 利用吊装天线引架。 4. 利用卷扬机或吊机直接引架。利用塔顶的预埋扣件，挂上滑轮组，利用桥面上卷扬机和引绳将拉索起吊，一端塞入箱梁，一端塞入桥塔。 5. 单根钢绞线安装。 斜拉索的张拉作业方法： 1. 用千斤顶将塔顶索鞍顶起。每一对索支承在各自的索鞍上，先使索鞍位置低于其最终设计位置，当斜拉索牵引就位后，将索鞍顶起到预定高程，使斜拉索张拉至其承载力。 2. 在支架上将主梁前端向前顶起。斜拉索引架时处于不受力状态，比受力状态时短，因此需将主梁与斜拉索的连接点将主梁顶起，斜拉索引架完成后放下千斤顶使斜拉索受力。 3. 千斤顶直接张拉。最常用施工方法 索头构造 斜拉桥采用斜拉索支承主梁，使主梁变成多跨支承连续梁，大大降低主梁的高度。 由于主梁纤细且靠斜拉索支承，索力的大小和变形直接影响整个结构的状态。因此必须很好的控制索力使梁塔处于最优的受力状态，并利用斜拉索的预拉力调整主梁的标高符合设计要求。 施工控制是关键工作，应利用现代系统工程学根据设计与施工相组合，工程与控制相结合进行全面控制。 5. 斜拉桥施工控制 一、误差特性与索力调整 斜拉桥施工过程中，结构产生偏离目标值涉及因素： （ 1 ）结构分析时模型误差；（ 2 ）设计参数如弹性模量、截面特性、构件自重等；（ 3 ）施工误差，如构件制作、架设定位、索力张拉、变位和索力误差等。 大范围误差： 误差分布沿桥纵向出现同号增加或减少的误差称为大范围误差。 小范围误差： 误差分布沿桥纵向出现正负交替出现的误差称为小范围误差。 小范围误差对于索力和轴线位置影响并不显著，通过主梁刚度将小范围误差影响平均化； 大范围误差是索力调整的主要对象。 常见误差处理： 1. 预制构件自重误差 （最常见，个别达 5 ％以上）。 为保证主梁轴线位置和改善内力状况， 通过控制轴线位置调整索力。 2. 索的刚性误差： 在相同引伸量情况下，索的刚度误差将引起的索力误差。 控制索力 3. 梁的制作误差： 如主梁预拱度和局部变形误差 。 当以索力作为管理目标控制时，制作误差将保留在构件中，内力不受影响；当采用轴线位置为项目管理目标时，为保证理想的线形，将使索力发生偏差，甚至大大扰动结构内力分布 。 二、索力调整的方法 斜拉桥的恒载索力一般根据刚性支承连续梁的原则确定，然后根据倒退分析逐步计算出各施工阶段的索力和相应挠度。偏差处理和索力调整方法： 1. 一次张拉到设计索力 施工过程一次张拉到设计索力，对于梁段挠度和塔顶水平位移不用索力调整，任其自由发展或保持索力为设计值的条件下通过下一块件接缝转角进行调整，直至在跨中合拢时采用施加外力方法强迫合拢。该方法简单，但对构件制作精度要求高。 缺点：一次张拉对已完成梁体标高和索力不予调整，主梁线形不好，强迫合拢改变了主梁内力状况。 2. 多次张拉 在整个施工过程中对拉索进行分期分批张拉，使各施工阶段的索力较为合理，竣工后索力基本达到设计期望值。 根据设计规定的张拉值经过多次张拉，调整主梁的轴线位置，使成桥后的线形和内力状态优于一次张拉。 缺点：施工复杂 3. 卡尔曼滤波法 类似一次张拉，但各阶段索的张拉力不按原来的设计索力，而是根据变位的实测值经过滤波和反馈控制计算出索力的修正值。 挠度随机矢量，索力外加控制量，通过选择索力使主梁达到规定定值（位置绝对）。 对于索力的控制是在满足设计位置的基础上，以结构内能为最小条件为最优。 4. 以最小二乘法确定索力调整误差。 三、斜拉桥施工管理系统 1. 建立理想状态 斜拉桥为高次超静定结构，一般指定索力建立其恒载内力状态，一般采用逆施工步骤的解体分析，得到每一施工阶段的初始张拉力。 斜拉桥又是一种柔性结构，其荷载 — 位移关系是非线性的，引起非线性关系的主要原因是：索的垂度、梁 — 柱效应、结构受力后产生较大的位移。 2. 斜拉桥的管理系统 将“施工 — 测定 — 解析 — 施工”的周期过程联结起来在现场借助计算机强大的计算能力和信息处理能力实现施工控制。 四、施工控制管理三个系统 1. 解析系统 解析系统包括倒退分析程序、反馈控制程序和向前分析程序。 （ 1 ）倒退分析系统：施工各阶段的目标值（索力，主塔、梁的形状）根据完工时桥梁设计的理想状态，按架设顺序逐步撤去构件和荷载，用倒退分析程序计算出来。 倒退分析程序计算出来的目标值是理想值，用于指导施工阶段。 （ 2 ）反馈控制程序：根据控制程序现场实测数据和误差信息，进行误差分析并制定出索力调整最佳方案，指导现场调整作业。 调整控制程序可采用卡尔曼滤波法、最小二乘法、自适应控制法。 （ 3 ）实时向前分析程序：向前分析和倒退分析是按施工正、逆序计算的程序，从理想状态进行向前计算与倒退分析计算所得结果应一致。 实时向前分析的目的：确定出最终计入误差和调整后结构的实际目标；根据当前施工阶段向前计算至竣工为止，预告施工过程中可能出现的状况以及报警是否出现超应力状态。 2. 计测系统 现场计测包括参数计测和施工管理项目计测。 设计参数计测：材料容重、弹性模量、尺寸、施工荷载及状况。 施工管理项目计测：索力，梁、塔变位，截面应力，临时支架或辅助墩反力。 管理项目计测可靠性直接关系到施工控制的成败。 例如：索力检测，利用振动频率计算索力测定后，利用塔顶各拉索水平分力之和为零来检验。误差限值 1%~1.5% • 索力的量测 压力表测定法、压力传感器测定法、频率振动法 斜拉桥的施工 .4. 斜拉索的施工 3. 允许误差和报警系统 构件施工误差由施工技术规范确定；施工管理项目允许误差尚无标准，其确定要考虑一方面满足施工的精度，另一方面给出一定的宽容度。制定标准考虑以下内容： （ 1 ）由于索力和截面应力在设计上留有富裕，在施工过程出现较大误差不一定导致超应力； （ 2 ）允许误差与施工方法有关，一次张拉应尽量减小误差，多次张拉时第一次误差标准可适当放宽； （ 3 ）施工不同阶段对误差的要求有所区别，例施工过程为 15 ％，竣工为 5 ％； （ 4 ）对施工误差引起的结构误差响应进行预先分析，根据残余误差的限度确定施工精度要求； （ 5 ）尽可能减少施工麻烦。 五、张拉 一般采用多次张拉。 为什么不能采用一次张拉？ 一次张拉理论上可行，直接张拉到合龙后三年（收缩徐变稳定后）的设计状态。 如果采用一次张拉，有两个很重要的问题： 主梁施工时一般采用挂篮和架桥机，并且机具位置在不断变化，因此在施工过程中机具的重量要靠索力来平衡，并不断的变化，如果采用一次张拉，梁无法承受过大的弯矩； 在施工过程中一次张拉到位不调整，会使主梁的变位幅值很大，导致高程偏差很大，合龙困难。 南京长江二桥斜拉桥主跨 628m ，边跨 246.5m ，索塔高 195.41m 。 二桥的中塔柱截面尺寸 7.5×4.5m ，图为桥塔上塔柱的 1 ： 1 模型现场试验。 桥塔的上塔柱拉索区配置了 92 道 U 形预应力筋，弯曲半径 1.55 。图为千斤顶进行张拉。 用 400t 的千斤顶张拉每束 19 根钢绞线，并用传感器进行测试。 U 形索的留孔采用塑料波纹管及真空辅助压浆工艺。 香港 VSL 公司人员在调试真空泵 。 工人在准备搅拌水泥浆。 开始进行真空辅助压浆 。 塔内用四台 600t 千斤顶联动加载，做极限破坏试验 。 观察加载至设计荷载时，有无裂缝 。 加载至 2300t ，在拉索孔附近出现了多道细小裂缝 。 索塔下横梁施工，下横梁长度 46.6m ，截面尺寸 7.56×8.0m 。 每 4.5m 的标准节其型钢骨架进行预制，整体吊装，塑料波纹管预先放入。 195.41m 的索塔封顶。 进入斜拉索挂索和钢箱梁吊装。 钢箱梁由宝桥制作， VSL 公司负责吊装。 用塔吊和卷扬机辅助牵引斜拉索。 制作的成品斜拉索从江中船上牵拉至桥面，为防止损伤索体，用橡胶滑轮。 斜拉索牵引至上塔柱的拉索孔内。 拉索的下索头用卷扬机牵引至钢箱梁的拉索孔内 。 230t 的钢箱梁用两点起吊， 19 根钢绞线作吊索。 起吊一节钢箱梁，焊接一节，用斜拉索拉住一节。 钢箱梁起吊的安全十分重要 。 钢箱梁江上起吊，起吊高度 20m ，每行程 200mm 。 合拢段的最后起吊 。